《容器设计基础》PPT课件.ppt

第10章容器设计基础 10 1概述10 2内压薄壁容器设计10 3外压圆筒设计10 4封头的设计 1 容器的概念 10 1概述 一 容器的结构 容器的概论有狭义 广义之分 狭义的容器是指储存原料 中间产品或成品的储存设备 如大型炼油厂的原油储罐 油制气厂的球形储气罐 液化石油气瓶等 设备 外壳 功能内件 锅炉 换热器 加热炉 圆筒外壳 传热管束核反应堆 圆筒安全壳 核反应零部件塔器 圆筒外壳 传质元件 浮阀 填料等 反应釜 圆筒夹套 搅拌器压缩机 真空泵 圆筒气缸 活塞泵 蜗壳 叶轮 广义的容器 在石油化工领域 容器是指储存设备和其它设备的外壳 容器主要是由壳体 筒体 封头 端盖 法兰 支座 接口管 人孔等组成 中低压容器的通用零部件 如法兰 人孔 已经标准化 设计时可直接选用 2 容器的结构 二 容器的分类 1 按容器形状分类 方 矩 形容器 制造方便 承压能力差 小型常压球形容器 制造稍难 承压能力好 高压储罐圆筒形容器 制造容易 承压能力好 应用广泛 2 按承压性质分类 1 压力方向 内压容器外压容器 真空容器 外 0 1Mpa 内P 0 1Mpa 2 压力大小 设计压力大小 内压容器 低压容器 0 1 P 1 6MPa中压容器 1 6 P 10MPa高压容器 10 P 100MPa超高压容器 P 100MPa 真空容器与外压容器的区别真空容器指外部压力来源于大气的压力 外压为1个大气压 即0 1MPa 即将设备内空气抽掉 内部压力小于大气压力 外压容器指外部压力来源于介质压力 压力不限大小 3 按管理分类 国家劳动部门 根据容器压力与容积乘积 PV 大小 介质的危害程度以及容器的作用 将压力容器分为三类 对容器的设计 制造 检验 使用和管理要求愈高 高压容器 中压容器 毒性程度为极度和高度危害介质 中压储存容器 易燃或毒性程度为中度危害介质 且PV 10MPa m3 中压反应容器 易燃或毒性程度为中度危害介质 且PV 0 5MPa m3 低压容器 毒性程度为极度和高度危害介质 且PV 0 2MPa m3 高 中压管壳式余热锅炉 中压搪玻璃压力容器 1 第三类压力容器 毒性分级见GB5044 职业性接触毒物危害程度分级 使用强度级别较高的材料制造的压力容器 移动式压力容器 铁路罐车罐式汽车罐式集装箱等 容积 50m3的球形储罐 容积 5m3的低温液体储存容器 包括 指相应标准中抗拉强度规定值下限 540MPa 中压容器 不在第三类的中压容器 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器 易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低压储存容器 低压管壳式余热锅炉 或低压搪瓷玻璃压力容器 3 第一类压力容器 2 第二类压力容器 不在第三类 第二类压力容器之内的低压容器 碳素钢或低合金钢 420 合金钢 450 奥氏体不锈钢 550 4 按容器壁温或材料分类 低温容器 20 常温容器 20 200 中温容器 200 420 高温容器 达到材料蠕变温度 蠕变 在应力不变的条件下 应变随时间延长而增加的现象 它与屈服现象不同 屈服现象通常在应力超过弹性极限之后才出现 而蠕变只要应力的作用时间相当长 它在应力小于弹性极限时也能出现 三 容器零部件标准化 公称直径DN公称压力PN 基本参数 钢板卷焊 内径无缝钢管 外径 1 公称直径 1 压力容器的公称直径 筒体 封头 公称直径与筒体一致 指标准化后的标准直径 DN表示 单位mm 以内径为基准的压力容器的公称直径 GB9019 2001 以外径为基准的压力容器的公称直径 GB9019 2001 2 管子的公称直径 口径 通径 有缝管 焊接管 由钢板卷曲焊接而成 化工厂用来输送水 煤气 空气 油以及取暖用蒸汽等流体管道 无缝管 直接生产出 分热轧管和冷拔管两种 前者最大直径为630mm 后者最大直径为200mm 无缝钢管一般只适用DN600以下的 直径再大的管线就要选有缝管 总体来说 无缝管质量低于有缝管 热扎无缝钢管的生产过程 粗扎 精扎 有缝管的标记用公称直径表示 公称直径是近似内径的一个代号 可用mm或in表示 每个公称直径对应一个外径D0 但厚度不同 普通 加厚 内径Di不同 有缝管的标记 无缝管的标记不用公称直径 用外径 厚度表示 无缝管的标记 3 容器零部件的公称直径 容器法兰 支座 筒体 封头的公称直径管子法兰 管子的公称直径视镜视孔 结构中的某一重要尺寸 DN2000法兰 与DN2000筒体或封头相配的法兰 例 DN200管法兰 联接DN200管子的管法兰 DN80视镜 窥视孔的直径为80mm 容器及管道的工作压力经标准化以后的标准压力 以PN表示 单位MPa 2 公称压力 中低压容器的通用零部件 如法兰 人孔 已经标准化 设计时可直接选用 但选用时 只有公称直径一个参数是不够的 因为DN相同的零部件 工作压力不同 其尺寸 厚度等 亦不同 因此 选用容器标准零部件时 需要根据直径和工作压力来确定该零部件尺寸 为标准化 将容器零部件的压力规定为若干个标准的压力等级便于选用 四 压力容器的标准简介 1 国内标准 GB150 89 钢制压力容器 GB150 1998 2 国外主要规范 ASME 美国机械工程师协会 锅炉及压力容器规范 BS 英国压力容器规范 JIS 日本压力容器国家标准 AD 德国压力容器规范 等 全国压力容器标准化委员会 1984年7月成立 10 2内压薄壁容器设计 一 薄壁容器设计的理论基础 1 薄壁容器 厚壁容器K 1 2薄壁容器K 1 2 容器 石油 化工中使用的压力容器大多为薄壁容器 根据容器的外径D0和内径Di的比值K来判断 Di 0 1 2 圆筒薄壁容器承受内压时的应力 Di 可以认为 筒壁只有拉应力无弯曲 对称 拉应力沿壁厚均布 1 圆筒母线方向 即轴向 拉应力 轴向应力 经向应力 2 圆筒圆周方向 即环向 拉应力 称环向应力 轴向 拉伸变形 轴向拉应力 横向 直径增大 拉应力 弯曲应力 小 A B A B 器壁上有两种拉应力 纵截面 1 轴向 经向 应力 3 圆筒的应力计算 D 筒体平均直径 简称中径 mm 实际计算时采用内径 这里用中径使计算公式简化 2 环向 周向 应力 薄壁圆筒受内压时 环向应力是轴向应力的2倍 1 内压圆筒纵焊缝和环焊缝哪个更易破裂 2 椭圆孔怎么开 3 承压能力 问题 1 基本概念与基本假设 1 基本概念 旋转壳体 壳体的中面 等分壳体厚度的面 是回转面 二 无力矩理论基本方程式 轴对称 壳体的几何形状 约束条件和所受外力都是对称于旋转轴 石油 化工中使用的压力容器通常是轴对称的 这一章研究的满足轴对称的旋转壳体 旋转壳体的几何概念 母线 OAA 经线 OBB 法线 n 中面 交轴 平行圆 ABD 第一曲率半径 R1 Bk1 第二曲率半径 R2 Bk2 垂直经线的平面与中面的截交线 BE 的曲率半径 中面 法截线 课外知识 O 设曲线C的方程为y f x 则曲线C上任一点M的曲率半径 为 曲率半径越小 曲线在此点越弯曲 直线的曲率半径为无穷大 2 基本假设 小位移假设 受力后各点位移远小于壁厚 变形前后尺寸不变 直线法假设 变形前后垂直于中面的直线段不变 变形前后法向线段长度不变 厚度不变 不挤压假设 薄壳法向应力忽略不计 两向应力 假定材料具有连续性 均匀性和各向同性 即壳体是完全弹性的 2 基本方程式 无力矩理论 也称薄膜理论 它假设壁厚与直径相比很小 薄壳与薄膜一样 只能承受拉应力和压应力 不能承受弯矩和弯曲应力 即在旋转薄壳的受力分析中 忽略弯矩的作用 这样得到的应力称薄膜应力 它是设计压力容器的基础 无力矩理论求解 薄膜应力 边缘应力 有力矩理论求解 采用对微元体abcd建立平衡的方法 得到薄壁容器受力的基本方程式 微体平衡方程 基本方程式表达了壳体上任一点处的 1 2 内压 该点曲率半径和厚度的关系 微体平衡方程 用垂直于母线的圆锥形截面 法截面 切开壳体 取下部分为研究对象 建立轴向平衡方程 rk 任意点处的回转半径 区域平衡方程 微体和区域平衡方程是无力矩理论两个基本方程 区域平衡方程 三 基本方程式的应用 1 受气体内压壳体的受力分析 1 圆筒形壳体 R1 R2 D 2 n 结果与截面法求得的完全一致 2 球形壳体R1 R2 D 2 对相同的内压 球壳的环向应力要比同直径 同厚度的圆筒壳的环向应力小一半 相同条件下 球壳的壁厚是圆筒壳的一半 这是球壳明显的优点 比较圆筒壳 n 3 圆锥形壳体 半锥角 A点处半径r 厚度 则A点处 锥形壳的环向应力是经向应力的2倍 并且应力随着半锥角 的增大而增大 一般 45 不宜太大 在锥底 锥形壳大端 r R时 应力最大 在锥顶处应力为零 因此 一般在锥顶开孔 此外 应力随着r的增大而增大 4 椭圆形壳体 椭圆壳经线为一椭圆 其曲线方程 第一曲率半径 自任意点A x y 作经线的垂线 交回转轴于k2点 则Ak2即为R2 根据几何关系 可得 第二曲率半径 把R1和R2的表达式代入微体平衡方程及区域平衡方程得 a b 分别为椭球壳的长 短半径 mm x 椭圆壳上任意点距椭圆壳中心轴的距离mm其它符号意义与单位同前 标准椭圆形封头应力分布 a b 2 顶点处 x 0 边缘处 x a 顶点应力最大 经向应力与环向应力是相等 顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍 顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反 应力值连续变化 例10 1 有一外径为219mm的氧气瓶 最小壁厚为 6 5mm 材质为40Mn2A 工作压力为15MPa 试求氧气瓶筒壁内的应力 解 氧气瓶筒身平均直径 mm 经向应力 MPa 环向应力 MPa 2 受液体静压圆筒形壳体的受力分析 设液体密度为 则离液面深度为h的筒壁上M点的液体静压力为 g 重力加速度 环向应力 经向应力 1与支承方式有关 底部支撑圆筒 1 0 液重直接传给基础 上部支撑圆筒 筒壁受轴向力作用 产生经向应力 液体重量 四 筒体强度计算 为了保证筒体的强度 筒体内的环向应力 设计温度下材料的许用应力 即 Pc 筒体的计算压力 MPa t 设计温度下筒体材料的许用应力 MPa 此式是内压薄壁圆筒在理想情况下的强度条件 不能直接用于设计计算 因有些因素未考虑 实际设计时 还要考虑焊接 腐蚀等因素 实际设计中还要考虑几个因素 1 焊接接头系数 钢制容器筒体大多是由钢板卷焊而成 在焊缝区 往往有焊接缺陷 夹渣 气孔 晶粒粗大 未焊透等 使焊缝附近材料的强度比钢板低 许用应力应降低 打折扣 方法 将许用应力乘以一个小于1的数值 焊接接头系数 焊接接头系数 焊缝系数 2 用内径代替中面直径 工艺设计 测量都用内径 用中径不方便 解出上式中的 得到内压圆筒的计算厚度 Di 圆筒内径 3 考虑介质对筒壁的腐蚀作用 介质腐蚀 壁厚减薄 在确定筒体壁厚时 增加一个腐蚀裕量C2 得到筒体的设计厚度为 4 考虑钢板厚度负偏差 考虑钢板可能出现的负偏差C1并圆整 得到筒体的名义厚度为 C2 腐蚀裕量 C1 钢板负偏差 C C1 C2厚度附加量 强度校核公式 强度条件 e 圆筒有效厚度 强度校核 计算环向应力 时用哪一个厚度 e n C 名义厚度就是图纸上标注的厚度 有效厚度是强度校核时筒体的实际承压厚度 最大允许工作压力计算公式 强度校核公式 强度条件 厚度计算公式 五 球壳强度计算 设计温度下球壳的计算厚度 设计温度下球壳的强度校核公式 有了计算厚度后 其他各种厚度计算与前面相同 六 设计参数 工作压力 指在正常工作情况下 容器顶部可能出现的最高压力 表压 设计压力 指设定的容器顶部的最高压力 其值不低于工作压力 如装安全阀和爆破膜的压力容器 一般分别取工作压力的1 05 1 10倍和1 15 1 45倍作为设计压力 计算压力 指在相应设计温度下 用以确定壳体各部位厚度的压力 计算压力pc 设计压力p 液柱静压力 5设计压力 1 设计压力 做作业时 我们约定 有安全阀 设计压力P 1 1 工作压力有爆破膜 设计压力P 1 2 工作压力 设计温度指容器正常工作中 金属筒壁可能达到的最高温度或最低温度 低温设备 2 设计温度 设计温度在设计公式中没有直接反映 但对选择材料和确定许用应力有直接影响 筒壁温度通过传热计算得到 不被加热或冷却的壁 取筒内介质最高或最低温度 用蒸汽 热水或其它载热体加热或冷却的壁 取载体最高温度或最低温度 不同部位出现不同温度 分别计算 3 许用应力 按材料力学原理 许用应力 极限应力可以是 极限应力的选取与结构的使用条件和失效准则有关 持久极限 蠕变极限 强度极限 屈服极限 极限应力 安全系数 常温容器 中温容器 高温容器 当设计温度高于200 时 钢材的强度明显下降 当设计温度低于0 时 取20 时的许用应力 常用钢板和钢管的许用应力可在设计资料中直接查取 以方便设计 4 焊接接头系数 考虑到焊接对强度的削弱而降低设计许用应力的系数 根据接头形式及无损检测长度比例确定 只有符合 压力容器安全技术检察规程 中的相关规定 才允许对焊缝作局部无损探伤 焊缝抽验长度不应小于每条焊缝长度的20 5 厚度附加量 满足强度要求的计算厚度之外 额外增加的厚度 包括钢板 钢管 负偏差C1 腐蚀裕量C2即C C1十C2 1 按表10 10选取2 当钢材的厚度负偏差不大于0 25mm 且不超过名义厚度的6 时 负偏差可以忽略不计 为防止容器元件由于腐蚀 机械磨损而导致厚度削弱减薄 应考虑腐蚀裕量 C1钢板厚度负偏差 C2腐蚀裕量 腐蚀裕量C2根据腐蚀速度和容器的设计寿命确定 塔类 反应器类容器设计寿命一般按20年考虑 换热器壳体 管箱及一般容器按10年考虑 表10 10钢板负偏差 腐蚀速度 0 05mm a 包括大气腐蚀 单面腐蚀C2 1mm双面腐蚀C2 2mm 腐蚀速度 0 05mm a时 单面腐蚀取C2 2mm双面腐蚀取C2 4mm 碳素钢和低合金钢 不锈钢 C2 0 七 最小厚度 设计压力较低的容器 计算出来的厚度很薄 大型容器刚度不足 不满足运输 安装要求 限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求 碳钢和低合金钢 min 3mm高合金钢 min 2mm不锈钢 min 2mm 壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度 min 八 压力试验 检验容器在超工作压力条件下 筒壁的耐压强度 主要焊缝强度 和密封性 有无渗漏现象 以确保设备安全运行 目的 液压试验 气压试验 气密性试验 压力试验的种类 检验耐压强度 检验密封性 液压试验 气压试验 1 试验压力 t大于1 8时 按1 8计算 如果容器各元件 圆筒 封头 接管 法兰及紧固件等 所用材料不同时 应取各元件材料的比值中最小者 容器铭牌上规定有最大允许工作压力时 公式中应以最大允许工作压力代替设计压力p P 设计压力 PT 试验压力 液压试验 气压试验 2 压力试验的应力校核 为防止试验时产生过大的应力 要求容器在试验压力下的计算应力不超过焊缝在试验温度 常温 下屈服强度的90 气压80 圆筒壁在试验压力下的计算应力 九 边缘应力 组合壳 相邻两段结构不同 刚度不同 导致两部分自由变形量不同 但又相互约束 从而在联接处产生较大的附加内力系 剪力与弯矩 组合壳 边缘应力的概念 由于连接处两边自由变形量不同 组合壳在联接处 边缘部分 产生附加的局部应力 称边缘应力 边缘应力的特性 局部性 自限性 大多数都有明显的衰减波特性 随离开边缘的距离增大 边缘应力迅速衰减 即影响范围很小 当边缘应力达到材料屈服极限时 边缘处局部材料发生屈服 边缘应力不再升高 即自动受到限制 由于局部性与自限性 设计中一般不按边缘应力来确定厚度 而是在结构上作局部处理 但对于脆性材料 必须考虑边缘应力的影响 例10 2 某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔 工艺要求为塔体内径Di 600mm 设计压力p 2 2MPa 工作温度t 3 20 试选择塔体材料并确定塔体厚度 2 确定参数 式中p 2 2MPa Di 600mm 170MPa 0 8 表10 9 C2 1 0mm 考虑钢板厚度负偏差C1 0 6mm 圆整后 取 n 7mm 1 选材 由于石油气对钢材腐蚀不大 温度在 20 以上 承受一定的压力 故选用16MnR 根据式 10 12 3 厚度计算 解 4 校核水压试验时的应力 16MnR的屈服极限 s 345MPa 附表6 0 9 s 0 9 0 8 345 248MPa 水压试验时满足强度要求 式中 则 1 根据介质腐蚀性 设计温度和设计压力等信息 确定材料及腐蚀裕量C1 已知条件 圆筒内径Di 设计压力 或计算压力 设计温度 工作温度 容器介质腐蚀性 内压薄壁容器壁厚设计步骤 2 根据选用的材料及设计温度 查表确定材料在设计温度下的许用应力 t 3 确定容器焊接及探伤方式 内径较大时采用双面焊 内径较小时只能采用单面焊 重要容器全检 一般容器局部检 查表确定容器的焊接接头系数 5 根据计算厚度 和腐蚀裕量C2 确定容器筒体的设计厚度 d 6 根据设计厚度 d 确定容器筒体的名义厚度 n范围 通过查表确定钢板负偏差C1 7 计算 d C1 并向上圆整 钢板厚度 6 30时 厚度间隔为1mm 30 60时厚度间隔2mm 最后得到筒体的名义厚度 n 也就是图样上标注的厚度 8 必要时校核水压试验时的应力 4 根据设计压力 容器内径 用公式确定容器的计算厚度 例10 3 某化工厂反应釜 内径为1600mm 工作温度为5 105 工作压力为1 6MPa 釜体材料用0Crl8Ni9 采用双面对接焊缝 局部无损探伤 凸形封头上装有安全阀 试计算釜体壁厚 解 已知Di 1600mm 查附表6 0Crl8Ni9在105 时的 其许用应力 查表10 9 采用双面对接焊缝 局部无损探伤 故取 介质对不锈钢腐蚀极微 取C2 0 因装安全阀 取设计压力P 1 1 1 6 1 76MPa 105 137MPa 0 85 估计 n 8 25mm 查表10 10 取C1 则 d C1 12 18 0 8 12 98mm 圆整后取 n 13mm 0 8mm 常用钢板厚度3 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 30 例10 4 今欲设计一台反应器 直径为3000mm 采用双面对接焊缝 100 探伤 工作压力为1 8MPa 工作温度450 试用20R和16MnR两种材料分别设计反应器的厚度 并作分析比较 解 已知Di 3000mm P 1 8MPa 1 C2 2mm 腐蚀很小 取1mm 腐蚀较严重 取2mm 一般考虑单面腐蚀 1 采用20R钢 450 61MPa 钢板负偏差取C1 1 2mm 圆整后 n 50mm 2 采用16MnR 450 66MPa 钢板负偏差取C1 1 2mm 圆整后 n 46mm 比较两种材料设计反应器厚度可知 16MnR比20R节省材料 例10 5 乙烯贮罐 内径1600mm 壁厚16mm 设计压力为2 5MPa 工作温度 35 材料为16MnR 采用双面对接焊 局部无损探伤 壁厚附加量C 1 5mm 试校核强度 解 已知内径Di 1600mm n 16mm e n C 16 1 5 14 5mm P 2 5MPa 16MnR在20 时的许用应力 20 170MPa 取 0 85 则设计温度下筒体的应力为 20 0 85 170 144 5MPa 因 t 20 所以 容器的强度是足够的 作业 习题 P2244 8 10 3外压圆筒设计 一 外压容器失稳 外部压力大于内部压力的容器称为外压容器 举例 真空冷凝器 夹套反应釜 1 外压容器的定义 夹套反应釜 真空冷凝器 薄壁圆筒 环向应力 计算厚度 mm D 筒体中面直径 mm 经向应力 压应力 2 外压薄壁容器的应力 如果压应力 2超过材料的 s或 b时 会不会发生强度破坏 极少发生 外压容器 当外压载荷增大到某一值时 筒体会突然失去原来的形状 被压扁或出现波形 载荷卸去后 筒体不能恢复原状 这种现象称为外压容器的弹性失稳 容器发生失稳后 不能正常工作 造成容器失效 3 外压容器的失稳 失稳后的外压容器 容器发生失稳时 筒壁内的压缩应力远远小于材料的屈服极限 这说明失稳不是材料强度不足引起的 失稳前 失稳时 单纯压应力 2 1 以弯曲应力为主的附加应力 突然变形 外压容器失稳 在性质上与受压细长杆失稳相似 实际上也是容器从一种平衡状态向另一种平衡状态突变 失稳后 筒体压扁或出现波形 平衡状态 平衡状态 迅速发展 外压达到某一临界值 形状及应力状态突变 二 容器的失稳形式 容器的失稳主要分为整体失稳和局部失稳 整体失稳又分为侧向失稳和轴向失稳 侧向失稳 外压容器的侧向失稳由均匀侧向外压引起 特点 横断面由圆形变为波形 轴向失稳 外压容器的轴向失稳由轴向压应力引起 失稳后其经线由原来的直线变为波形线 而横断面仍为圆形 局部失稳 容器在支座或其他支承处 以及在安装运输过程中 由于过大的局部外压引起的失稳 局部被压瘪或皱折 三 临界压力计算 筒体失稳时所承受的外压 称为临界压力 筒体在临界压力作用下 筒壁内存在的环向压应力称为临界应力 临界压力Pcr 临界应力 cr 工程上根据失稳破坏情况 将外压圆筒分为长圆筒 短圆筒和刚性筒三类 1 长圆筒 当圆筒足够长 两端封头对筒体中间部分不起支撑作用 这样的圆筒称为长圆筒 长圆筒最容易压扁 压扁时出现两个波形 即扁圆形 临界压力计算式 Pcr 临界压力 MPa e 筒体有效厚度 mmD0 筒体外径 mm Et 操作温度下材料弹性模量 MPa 材料的泊松比 由上式可见 长圆筒的临界压力只与圆筒的相对厚度 e D0有关 而与圆筒的相对长度L D0无关 钢制长圆筒 0 3 2 短圆筒 若圆筒两端封头对筒体能起到支撑作用 对筒体变形有约束作用 这样的圆筒称为短圆筒 压扁时出现三个以上的波形 临界压力计算式 L 筒体的计算长度 该长度不是一般意义上的长度 即圆筒两相邻刚性构件 刚性支撑 如封头 法兰 加强圈等 之间的最大距离 L中间 两加强圈中心线之间距离 整个容器无加强圈 图a 容器上有加强圈的 图b L两侧 加强圈中心线至筒体封头焊缝处长度 封头直边段 封头深度 3 短圆筒的临界压力不仅与圆筒的相对厚度 e D0有关 而且与圆筒的相对长度L D0有关 3 刚性筒 若筒体较短 筒壁较厚 即L D0较小 e D0较大 容器刚性好 不会因失稳而破坏 这种圆筒称为刚性筒 刚性筒是强度破坏 计算时只要满足强度要求即可 其强度校核公式与内压圆筒相同 4 临界长度 一个实际外压圆筒 是长圆筒还是短圆筒 如何判断 根据临界长度Lcr来判断 短圆筒Pcr 长圆筒Pcr L 封头支撑作用 短圆筒Pcr 同厚同径 L Lcr 封头支撑作用完全消失 短圆筒Pcr 长圆筒Pcr 即有 则得临界长度计算公式 短圆筒 长圆筒 5 影响圆筒临界压力的因素 1 筒体几何尺寸的影响 短圆筒 L D0同 e D0 抗弯能力 Pcr e D0同 L D0 Pcr 长圆筒Pcr 短圆筒 思考 如何在不改变圆筒长度的条件下 将长圆筒变为短圆筒 e D0 L D0同 有加强圈者Pcr高 2 筒体材料的影响 短圆筒 Pcr与材料的屈服极限无直接关系 因筒体失稳时 其压应力并没达到材料的屈服极限 材料弹性模量Et 抗变形能力 pcr 思考 用高强度合金钢代替一般碳钢制造外压容器 能否提高筒体的临界压力 不能 因为各种钢的弹性模量相差不大 相反还增加了容器的成本 外压圆筒形容器的失稳破坏并不是由于筒体截面存在圆度误差或材料不均匀引起的 无论筒体的形状多么精确 材料多么均匀 当外压达到一定数值时都会发生失稳 筒体的不圆度与材料的不均匀性 能使其临界压力数值降低 使失稳提前发生 3 筒体不圆度和材料不均匀性的影响 四 外压圆筒的设计 外压圆筒计算的三类问题 1 已知圆筒尺寸 求许用外压 p 2 已知工作外压 求圆筒所需厚度 1 算法概述 3 已知圆筒尺寸和工作外压 校核圆筒稳定性 1 许用外压 思考 只要设计压力 Pcr 外压容器不发生失稳 短圆筒 长圆筒 实际 如果设计压力接近Pcr 外压容器仍有可能发生失稳破坏 临界压力计算公式是在理想条件下得到的 即认为圆筒截面是规则的圆形 实际圆筒不可能是绝对圆的 所以实际筒体的Pcr小于计算Pcr 原因分析 实践表明 许多长圆筒或管子当压力达到 1 2 1 3 Pcr时 就可能被压扁 容器实际工作压力有可能大于设计压力 结论 不允许在外压等于或接近Pcr时进行操作 必须有一定的安全裕度 即要规定一个小于Pcr的许用外压 P P 许用外压 MPa m 稳定安全系数 1 其值取决于计算方法的准确程度和筒体制造质量 许用外压 P 和稳定安全系数m 根据GB150 1998 钢制压力容器 的规定m 3 2 外压容器稳定条件 设计准则 设计一台外压容器 应使该容器的设计压力P不超过许用外压 P 即 根据稳定条件设计容器壁厚时 通常采用试算法 先假定 求出 P 比较 P 与P 若满足P P 可用 否则增大 外压容器设计计算思想 P 或Pcr与筒体的几何尺寸 e D0 L 有关 外压圆筒的设计计算方法 GB150推荐使用图算法 2 算图 外压圆筒的设计计算有解析法和图算法两种 多采用图算法 图算法方法简便 而且不论长圆筒 短圆筒 薄壁圆筒 厚壁圆筒均可用 短圆筒 长圆筒 1 几何参数计算图 L Do Do e A关系图 两个公式统一写成 K 特征系数 与圆筒尺寸L D0 e D0有关 长圆筒 短圆筒 可见 外压圆筒失稳定时的环向应力 周向应力 不论长圆筒 短圆筒 外压圆筒失稳时的环向应变 周向应变 为了避开材料的弹性模量 我们用应变来表征失稳时的特征 为了方便 将 与圆筒几何参数D0 e 径厚比 L D0 长径比 的关系画成曲线 令A 以A作为横坐标 L Do作为纵坐标 Do e作为参量绘成曲线 得到几何参数计算图 垂直线 表明长圆筒失稳时 与L D0无关 倾斜线 表明短圆筒失稳时 与L D0有关 转折点处的长度为临界长度Lcr 适用所有材料 图10 15外压或轴向受压圆筒和管子几何参数计算图 与材料弹性模量无关 可用于所有材料的筒体 2 厚度计算图 不同材料的A B关系图 问题 如何找出A P 的关系 并画成曲线 能否据此画成曲线图 可得 令 要想从 找 P 首先需要从 找B 若以 为横坐标 B为纵坐标 将B与 即图中A 关系用曲线表示出来 就得到了A B关系图 利用这曲线 可以方便从 找到对应的系数B 并进而求出 p 直线段 较小时 弹性状态 E是常数 表现为直线 曲线段 较小时 非弹性状态 E不是常数 表现为曲线 外压圆筒 管子和球壳厚度计算图 屈服点 s 207MPa 的碳素钢和 0Cr13 1Cr13 钢 图10 17 外压圆筒 管子和球壳厚度计算图 屈服点 s 207MPa 的碳素钢和 0Cr13 1Cr13 钢 1 s相近的几种钢材合用一张图 2 温度不同 E不同 故不同温度有不同的曲线 3 计算图查取A B方法 以系数A查取为例 首先根据计算得到L Do 在图10 15纵坐标上找到L Do所在点 由此点水平向右与D0 e线相交 再垂直向下在横坐标上得系数A 若D0 e在图上没有 则用内插法求取A 3 外压圆筒厚度设计方法 通过工艺计算 可确定筒体内径Di 筒体本身长度 封头直边深度 封头深度及筒体的计算长度L 利用算图确定外压圆筒厚度的步骤如下 情况1 1 假设 n e n C D0 Di 2 n 定出L Do D0 e 2 由L Do D0 e查几何参数计算图 得系数A 3 根据所用材料 从图10 16 10 20中选出一张 在该图下方找到A值所在点 若A在温度材料线右方 则垂直向上与材料温度线相交 再水平向右得系数B 按式 10 25 计算许用外压 若A值在材料温度线左方 按式 10 26 计算许用外压 4 比较许用外压 P 与设计压力P 若P P n可用 若小得过多 适当减小 n 重复上述计算 若P P 需增大 n 重复上述计算 直至使 P P且接近P为止 情况2 1 用与D0 e 20时相同的方法得到系数B 但对于D0 e 4的圆筒和管子 则系数A用下式计算 A 0 1时 取A 0 1 2 计算 P 1 P 2 取小者为许用外压 0取以下两值中的较小值 0 2 t或 0 0 9 st或0 9 0 2t 3 比较许用外压 P 与设计压力P 这一步与情况一相同 五 外压圆筒的试压 外压容器也要做压力试验 检查容器强度和密封性 外压容器按内压容器进行液压试验 试验压力取1 25倍的设计外压 即 PT 试验压力 P 设计压力 例10 2 试确定一外压圆筒的壁厚 已知设计外压P 0 2MPa 内径Di 1800mm 圆筒计算长度L 10350mm 如图5 15 a 所示 设计温度为250 壁厚附加量取C 2mm 材质为16MnR 其弹性模数Et 186 4 103MPa 1 设筒体名义壁厚 n 14mm 则D0 1800 2 14 1828mm有效壁厚 e n C 14 2 12mmL D0 10350 1828 5 7 D0 e 1828 12 152 D0 e 20 2 在图10 15的左方找出L D0 5 7的点 将其水平右移 与D0 e 152的点交于一点 再将点下移 在图的下方得到系数A 0 00011 0 00015 0 0002 0 00011 3 在图10 18的下方找到系数A 0 00011所对应的点 此点落在材料温度线的左方 故用式 10 26 确定 p 显然 p p 故须重新假设壁厚 n或设置加强圈 现按设两个加强圈进行计算 仍取 n 14mm 1 设两个加强圈后计算长度L 3450mm 则L D0 3450 1828 1 9 D0 e 152 2 由图10 15查得A 0 00035 3 在图10 18的下方找到系数A 0 00035 此点落在材料温度线的右方 将此点垂直上移 与250 的材料温度线交于一点 再将此点水平右移 在图的右方得到B 42 5 设两个加强圈 4 按式 10 25 计算许用外压力 p 因 p p 故该外压圆筒用 n 14mm的16MnR钢板制造 设置两个加强圈 其结果是满意的 这个例题说明 在筒体上装上一定数量的加强圈 可以减少筒体计算长度 提高刚性 从而提高圆筒的临界压力 许用外压 即圆筒的承压能力 例10 3 分馏塔内径2000mm 塔身 不包括椭圆形封头 长度为6000mm 封头深度500mm 370 及真空条件下操作 现库存有9 12 14mm厚的20R钢板 能否用这三种钢板制造 塔的计算长度 钢板负偏差均为0 8mm钢板的腐蚀裕量取1mm 有效厚度为7 2 10 2和12 2mm 简化计算 有效厚度取7 10和12mm 解 当 n 9mm时 查图10 15得A 0 000085 20R钢板的 s 245MPa 查附录6 查图10 17 A值点落在材料温度线得左方 故 20R钢板370 时的E 1 69 105MPa p 0 1MPa 所以9mm钢板不能用 当 n 12mm时 查图10 15得A 0 00013 查图10 17 A值所在点仍在材料温度线得左方 故 因为 p 0 1MPa 所以12mm钢板也不能用 查图10 15得A 0 00018 查图10 17 A值所在点仍在材料温度线得左方 故 因为 p 0 1MPa 所以 须采用14mm厚的20R钢板制造 当 n 14mm时 六 加强圈 在筒体上装上一定数量的加强圈 可以提高圆筒的临界压力 许用外压 从而提高圆筒的承压能力 1 作用 缩短圆筒的计算长度 增加圆筒的刚性 从而提高临界压力 工字钢 角钢 扁钢 2 结构 3 加强圈的最大间距和数量 故有 钢制短圆筒 为了保证筒体能承受设计外压P 加强圈最大间距 10 29 如加强圈的实际间距 Lmax 表明圆筒能安全承受设计外压 需设置的加强圈的个数 等于圆筒不设加强圈的计算长度L除以所需加强圈间距Ls再减去1 即加强圈个数n L Ls 1 a b hi 3 hi D0 hi 3 关于加强圈的安装制造 请同学们看书自学 作业 习题 P2249 11 12 10 4封头的设计 容器封头 端盖 凸形封头 锥形封头 平板封头 半球形封头 椭圆形封头 碟形封头 球冠形封头 无折边 折边 椭圆形封头是由半椭球和高度为h的短圆筒 通称直边 两部分所构成 直边的作用 避免筒体与封头间的环向焊缝受边缘应力作用 一 椭圆形封头 1 受内压的椭圆形封头 椭圆各点曲率半径不同 但变化连续 无突变 故受内压时 薄膜应力分布也是连续的 K 椭圆形封头形状系数 标准椭圆形封头K 1 椭圆形封头计算厚度 标准椭圆形封头计算厚度 封头由整块钢板冲压而成 取 1 GB150 1998规定 椭圆形封头标准为JB T4737 95 K 1 时 0 15 K 1 时 0 30 椭圆形封头壁厚与筒体壁厚几乎相等 大多数标准椭圆形封头壁厚取为与筒体相同 或比筒体稍厚 椭圆封头最大允许工作压力计算公式 标准椭圆形封头的直边高度由表10 11确定 2 受外压的椭圆形封头 假设 n 计算 e n C 算出R0 e R0为椭圆形封头当量球壳外半径 外压椭圆形封头厚度设计步骤同外压圆筒 R0 K1D0 K1由长短轴比值决定 标准椭圆形封头K1 0 9 b 计算系数 c 根据材料 从A B图 图10 16至图10 20 中选用 若A值落在设计温度线的右方 读出B值 计算出许用外压 p 若A值在设计温度线的左方 则许用外压 1 若p p 假设的厚度 n可用 若小得过多 可将 n适当减小 重复上述计算 2 若p p 需增大初设的 n 重复上述计算 直至使 p p且接近p为止 d 比较许用外压 p 与设计外压p 二 半球形封头 半球形封头是由半个球壳构成的 它的计算壁厚公式与球壳相同 球形封头壁厚比相同直径和压力的圆筒壳减薄一半 但为焊接方便以及降低联接处边缘压力 半球形封头常和筒体取相同的厚度 受外压的球形封头的厚度设计 计算步骤同椭圆形封头 球壳外半径R0 K1D0 其中K1 0 5 三 碟形封头 又称带折边球形封头 由三部分组成 半径为Ri的球面 半径为r的过渡圆弧 即折边 和高度为h的直边 交界点a b处 两边经线曲率半径不同 曲率不连续 有突变 故有较大的边缘应力 直边区的作用 使封头与筒体的焊缝避免边缘应力 球面半径Ri越大 过渡区半径r越小 封头的深度就越浅 制造方便 但边缘应力就越大 规定 Ri Di r 0 1Di且r 3 n 相同受力条件下 碟形封头壁厚是椭圆形封头壁厚1 2倍 笨重不经济 而且碟形封头经线曲率不连续 应力分布不连续 因此没有椭圆形封头应用广泛 此公式不需记 Ri 0 9Di r 0 17Di的碟形封头 称为标准碟形封头 其计算厚度公式 碟形封头与筒体连接可用法兰联接 也可用焊接联接 当采用焊接联接时 应采用对接联接 如果封头与筒体的厚度不同 需将较厚的一边切去一部分 受外压的碟形封头 设计步骤同椭圆形封头 只是R0为碟形封头球面部分外半径 四 球冠形封头 为了降低凸形封头高度 将碟形封头的直边及过渡圆弧部分去掉 只留下球面部分 即球冠形封头 又称无折边球形封头 特点 制造方便 封头与筒体联接处有较大的边缘应力 五 锥形封头 锥形封头广泛用作许多石油化工设备的底盖 它的优点 便于收集和卸除固体颗粒物料 避免凝聚物 沉淀等堆积 锥形封头分无折边和带折边两类 设计方法不同 1 无折边锥形封头 a 查图10 27 确定大端是否须局部加强 以降低联接处的边缘应力 锥壳大端存在较大的附加应力 薄膜应力和弯曲应力 适用于半锥角 30 1 锥壳大端 与圆筒联接时 锥壳大端联接处壁厚设计步骤 b 不必局部加强 计算壁厚为 c 需加强 应在锥壳与圆筒之间设置加强段 锥壳加强段和圆筒加强段厚度相同 Q 锥壳大端联接处的应力增值系数 查图10 28 锥壳大端联接处的Q值图 Q值与Pc 有关 加强圈的长度 图10 28 2 锥壳小端 与圆筒联接时 锥壳小端联接处壁厚设计步骤 a 查图10 29 确定小端是否须局部加强 图10 29 b 不必局部加强 计算壁厚同大端 c 需加强 加强段和圆筒加强段厚度相同 Q 锥壳小端联接处的应力增值系数 查图10 30 Dis 锥壳小端内直径 锥壳小端联接处的Q值图 Q值与Pc 有关 加强圈的长度 图10 30 3 无折边锥壳的厚度 小结 10 36 无折边锥壳的各部分 大端 小端 加强段 厚度分别按右边4个公式确定 10 37 10 38 若整个锥形封头厚度统一 取各部分厚度的最大值作为封头的厚度 加强段厚度 2 折边锥形封头 即在锥形封头与圆筒联接处加过渡圆角 可降低联接处的应力集中 当半锥角 30 时 锥壳大端应带折边 半锥角 45 时 小端亦应有折边 当锥壳半锥角 60 时 其厚度可按平盖计算 r 0 1